浅谈模面工程

文/王瑜·天津汽车模具股份有限公司

浅谈模面工程

文/王瑜·天津汽车模具股份有限公司

当前汽车产业迅猛发展，汽车厂商为了赢得市场，吸引消费者眼球，必须不断调整自己现有的汽车造型，甚至是开发新车型。汽车厂商通常会在自己的外覆盖件上做出独特的造型，尤其会在外板制件做一些漂亮、复杂的腰线或者特征，来打动不同的购买人群。汽车需要批量生产，制件需要模具成形。模具厂商需要快速生产出符合标准的模具，并且要保证模具能生产出高质量的制件。模面工程通过改变模具凸凹模的不等间隙，使得机械加工后的模具减少研合甚至不用研合，从而缩短了研合周期。模面工程通过对局部特征型面进行特殊处理，从而优化成形过程中的型面畸变问题，确保了制件的质量。

模面工程产生的背景

研配是模具生产的一个重要环节，其目的是保证批量生产的制件成形稳定、尺寸一致。研配的主要工作内容为研合着色。即使用压力机反复闭合模具，找出模具型面硬点，去除硬点，最终保证凸凹模型面间隙均匀。研配通常使用风把、角向（表面是砂轮）研合模具（型面通常为球铁或合金铸铁），一个班时的去除量大约为0.1mm，因此是一个比较细致且费时费力的工作。

着色不是一个过程，而是一个结果，它所反映出来的是凸模产品型面和凹模产品型面之间的间隙。着色产生过程是凸凹模在模具闭合到底的一瞬间，制件上粘附的蓝油被凸凹型面粘走，模具再次打开，取出制件，制件上蓝油较薄的地方说明型面间隙较小，相反蓝油较厚的地方则说明型面间隙较大。

图1为研配一段时间后的机盖外板蓝油着色。图2为理论着色单。

图1 机盖外板蓝油着色

图2 理论着色单

模面工程出现之前，整个制件着色全部需要钳工去研合。研合大型模具的时候，模具变形严重，为了要达到理论着色单的要求，需要从外向内一圈一圈的进行研合。一个标准侧围外板的研合周期需要一个月之久甚至更长。另外在研合过程中，研配型面的质量需要靠钳工师傅手动保证，研合工作对钳工的技术能力及经验要求很高。如果工作过程中手稍微一抖，A级曲面出现凸凹不平，那就需要更多的时间去弥补，甚至是重新加工。

模面工程的含义

模面工程诞生于车间，起初目的是减少现场研合工作量，缩短模具制造周期。模面初期的定义为：在不改变工艺成形的基础上，对模具型面进行整体或局部的变形处理，从而达到在制件成形吨位下模具配合型面的间隙均匀，这种对模具型面进行变形的曲面设计方法就是模面工程。近两年模面工程与CAE成形性分析充分融合，引申出模面新的定义即工艺的延伸。模面工程是采用强压、让空等手段，微观上通过改变型面间隙，优化制件成形过程。

模面工程的理论基础

压机变形

模面工程目前采用ANSYS对模具在机床上受力变形过程进行模拟。模型组成由机械滑块，模具上模，模具下模，下模本体几部分组成，其中下模本体底面固定，下模与下模本体之间绑定，上模压板槽与滑块之间绑定，机械滑块立柱表面载荷为1600t。接触定义为机械滑块与滑轨间隙接触，摩擦系数0.12，间隙0.3mm；模具上模与滑块之间接触，摩擦系数0.12；上模产品面与下模产品面之间为标准接触，摩擦系数0.12。仿真类型采用ANSYS静力分析。

产品面接触压力（kPa）分布计算结果如图3所示。产品面接触压力分布表明，随型筋的布置会影响接触压力，模具外圈接触压力更大一些。

图3 产品面接触压力分布

产品面接触状态计算结果如图4所示。产品面接触状态表明，随型筋的布置会影响接触状态。

图4 产品面接触状态

上下模VON-MISES应力分布（kPa）计算结果如图5所示。图5表明，上下模应力分布状态趋势相同，上模应力大于下模应力。

图5 上下模VON-MISES应力分布

上下模产品面Z向位移(mm)分布计算结果如图6所示。图6表明，上下模产品面Z向位移分布趋势相同，上模位移大于下模位移。

图6 上下模产品面Z向位移分布

通过对此皮卡侧围外板建型、模拟计算分析，得出以下结论：

⑴模具在较大压力下会产生变型，模具产品面周圈区域通常位移大、应力大，接触状态好，模具产品面中心区域通常位移小、应力小，接触状态差。

⑵模具结构设计中的随型筋传导力源效果较好。主棱线、门把手处、轮旋等关键部位需要布置随型筋，保证型面有较充足的压力，有利于缩小成形缺陷，优化面品。

⑶上模与下模变形趋势相同，下模被动根据上模变形而变形。

通过对不同模具及制件进行若干次模拟分析，结合现场，得出以下结论：

⑴模具变形跟压力机床有关，机械机床和油压机床产生的效果不同；与机床滑块刚度有关；与机床的滑块载荷接触面有关；与机床的台面精度有关。模具在机床上的摆放位置也会影响模具变形趋势。

⑵模具变形跟模具尺寸有关，一般2.5m以下的模具不会产生压机变形，随着模具的长度增加，模具变形会逐渐增大。机床X向变形要比Y向变形要大。

⑶模具变形与模具强度有关。

制件成形

使用Auto form对制件成形过程进行模拟，分析模拟结果，判断制件面品缺陷。图7为通过Auto form分析的油石检测结果，根据经验判断，车门门把手处及窗框处型面存在缺陷，需要对此区域进行模面补偿。

图8为通过Auto form分析的减薄结果，模拟出后背门外板转向灯处减薄较大，如补偿不到位，此处容易出现面品缺陷。

机械加工

图7 油石检测结果分析

模具机械加工过程中会产生若干问题，需要模面工程进行弥补。例如圆角清根不到位、立面加工出现让刀。

模面工程的操作内容

补偿压机变形

处理过程包括以下几个方面：

⑴根据结构强度分析报告以及以往的研合经验做出规划，确定相应变形数值，压机变形量一般处理在凹模上。

⑵使用CATIA软件，按照规划找出相应的变形点，作为原始点，使用偏置命令，偏置对应的变形数值，得到目标点。

图8 减薄结果分析

⑶在think3中输入数值、原始点、目标点，然后使用高级曲面变形命令，将原始型面按照原始点和目标点的映射法则进行变形，得到新的补偿后的型面。

⑷模具产品型面角度不同，因此需要对压机变形补偿后的型面再一次进行斜度补偿，例如侧围门洞内的锁孔及铰链孔，型面几乎成90°角，需要加量补偿。

⑸拉延补充面不需要着色，让空处理，考虑到二序修边符型，因此通过旋转的方法，保证产品着色面和补充面差量在0.2mm左右。范围一般是产品面向外保留5～10mm。一些特殊制件的补充面不进行让空处理，例如翼子板月亮弯区域，该处补充立壁保留原始，消除型面缺陷。

补偿成形过程中的缺陷问题

⑴下垂和隆起处理。为了保证型面面品质量，克服制件翘边，及局部暗坑，模面会进行隆起处理和下垂处理。下垂具体方法如图9所示，范围30mm下垂0.15mm。型面注意需要保证曲率连续。

图9 下垂处理方法

⑵强压处理。对产品型面局部减小间隙，范围一般根据现场经验和模拟计算结果，目的是优化型面质量。

⑶补偿机械加工。①机械加工过程中，凹角清根不到位，需要做让空处理，让空量一般在0.5～1mm，让空量在0.8mm最好；②机械加工过程中，较高的立面加工不到位，出现让刀的情况，所以不着色的立面让空处理，让空量一般在0.2～0.5mm。

模面工程的意义

⑴模面工程可以有效地缩短生产周期，降低模具生产成本，保证模具表面的质量，排除了人为研合等不稳定因素。经过模面处理的侧围外板，研合大约需要3～5天，相比未做模面处理的一个月研合周期，整整缩短了20多天。同时也有效的降低了研合机床使用时间，同样也降低了人力成本。

⑵模面处理可以确保流料的均匀，保证成形稳定，同时可以延长模具的使用寿命。例如压边圈，在间隙不均匀的状态下，管理面对料流入的阻力不相同，会造成进料不均，形成褶皱。批量生产后，模具表面划出凹痕，造成损坏模具。经过模面处理后，压边圈间隙均匀，着色稳定，褶皱就会明显减少。模面处理前后板料褶皱对比如图10所示。

⑶模面处理是解决面品问题的基础。外板A级曲面往往会出现凹陷、断线等面品缺陷。解决这些问题着色是根本，如果一个制件的特征附近没有着色，那此处间隙一定过大，此处面品一定得不到保证。通过模面强压处理或隆起处理后，外板件型面面品得到改善，凹陷区域得到减少。另外也可以通过模拟分析软件提前预测和判断面品区域以及范围，提前做出补偿。

⑷模面处理也可以保证公差、冲孔尺寸、检测点和夹持点的位置。将重要的型面规定为高着色，并且全序符型进行紧压。

模面工程与模具制造的整体关系

图10 模面处理前后板料褶皱对比

⑴模面工程与车间现场相结合。成熟的模面工程团队有能力针对不同工厂进行总结积累计算，帮助车间制定一套高效的研合思路。大部分模具厂都会把生产周期和生产成本，当作是自己的生命线。通过引入模面工程，可以有效降低研合时间，降低模具研合消耗，降低人员成本。

⑵模面工程与工艺相结合。目前模面人员已经深入了解工艺成形性分析，了解更多工艺成形中的细节问题。通过和工艺分析人员讨论、预判，在模具制造前期，利用模面处理辅助成形；制件回弹也是目前模具厂商最为头疼的问题，模面通过对产品进行强压及保压处理，可以有效的抑制一部分回弹。

⑶模面工程与结构设计相结合。模面人员更了解模具车间现场的需求，可以告知设计者模具哪些区域更需要强压，哪些区域需要布置力源；同时也可以对模具符型区重新定义，帮助结构减少铸件重量。

⑷回弹处理、点云逆向、工程模具强度校核。A级曲面的回弹处理是模面未来的一个主要发展方向。制件成形后不可避免的要发生回弹，当回弹较大的时候，就要考虑根据回弹趋势重新制作产品型面。由于A级曲面受到光栅、曲率等因素制约，不可能跟计算结果保持一致。因此模面工程需要在这个领域继续研究发展，尽可能将制作出来的型面贴和现场结果相符。复制模具，最好的方法就是扫描模具，逆向制作。传统的方法是将点云转化成型面，用于编程加工。模面工程目前正在优化点云，处理点云，将点云用于编程。工程模具强度校核也是模具的一个发展方向，模面工程可以模拟现场状态下的模具强度，预防模具强度不足等失效。

结束语

模面工程目前处在一个相对成熟的时期，对于着色方面已经得心应手，已经为车间降低了生产时间，节省了生产成本，缩短了生产周期。在回弹方面和面品处理方面也拥有了自己独特的解决方法。